本发明公开了一种氮掺杂石墨烯铜基双金属单原子催化剂及其制备方法和应用，所述催化剂由氮掺杂石墨烯负载单原子铜和过渡金属构成，该催化剂中金属铜负载量为0.5～6.0％，过渡金属M的负载量为0.1～3.0％；其中，过渡金属M包括铬、铁、钴、镍、锰、钒和钼。具有较大的比表面积的氮掺杂石墨烯作为载体，有利于单原子催化剂的分散和固定，其还具有多孔结构，可以实现快速的质量和能量转移，其富含的N原子作为锚定中心，有利于锚定、分散单原子Cu/M中心，在高温处理过程，大量的N原子会和金属Cu/M形成配位作用，从而提高单原子Cu/M的锚定量，单原子Cu/M物种被N原子强烈锚定限域在衍生的氮掺杂石墨烯上，不会发生溶脱问题。