本发明涉及金属纳米催化剂技术领域，尤其涉及一种铜钴单原子合金催化剂及其制备方法和应用。所述铜钴单原子合金催化剂包括铜纳米颗粒和负载于铜纳米颗粒表面的钴单原子。本发明通过在铜纳米颗粒上负载相互孤立的钴原子，调节铜原子的电子态，使其改变对一氧化碳中间体的吸附构型，更易于到甲烷的转化。同时，单原子钴的加入促进了水的解离活化，为一氧化碳深度还原提供了所需的质子，进而具有较高的二氧化碳转化为甲烷的选择性和活性。为二氧化碳高效转化利用提供了新的途径。