本发明公开了一种钼基二氧化钛纳米阵列催化剂及其制备方法和应用，该催化剂以钛酸四丁酯、盐酸、甲基硅油和去离子水制备而成的二氧化钛纳米阵列为载体，以氧化钼为催化活性组分。以载体质量为基准，活性组分的质量百分含量为5％～10％。特定体积配比的钛酸四丁酯、盐酸、甲基硅油和去离子水经一步水热法制备成二氧化钛纳米阵列载体后，将活性组分前驱体溶液和载体搅拌均匀并干燥焙烧后制得钼基二氧化钛纳米阵列重整制氢催化剂。所制备的催化剂组分环境友好，低温下重整甲醛制氢H2选择性高、制备工艺简单，具有广阔的市场应用前景。