本发明公开了一种新型三维分级多孔复合材料、制备方法及其应用，所述新型三维分级多孔复合材料包括以明胶基质水凝胶经碳化后形成碳气凝胶和通过氮掺杂源与过渡金属离子的配位作用形成的稳定的双金属单原子/氮共掺杂材料；所述双金属单原子/氮共掺杂材料牢固地锚定在三维碳气凝胶网络中，形成分级多孔催化剂材料。该新型三维分级多孔复合材料使用绿色廉价可再生的生物质合成水凝胶，这种组织良好的化学网络不仅可以很容易地加工成三维多孔碳气凝胶，而且还能在热解过程中产生微孔缺陷，从而将过渡金属稳定锚定在碳骨架中，该材料在氧气还原/氧气生成反应以及全固态金属-空气电池应用中表现出优异的性能。