本发明涉及微通道反应器领域，公开了一种用于降解COD的催化微通道反应器及其制备方法和应用。该催化微通道反应器包括内壁上负载有催化剂的微通道，微通道的内壁的表面粗糙度Ra小于3μm，其制备方法包括以下步骤：（1）将催化剂颗粒悬浮液注入微通道反应器中的微通道内，进行烧结；（2）重复步骤（1）至微通道内壁的表面粗糙度小于3μm，获得催化微通道反应器。本发明通过控制负载有催化剂的微通道内表面粗糙度，能够阻止COD污染微通道内壁，从而延长催化微通道反应器的使用寿命。