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本发明公开一种氮掺杂碳复合石墨烯包覆钴纳米阵列催化剂的制备方法，属于催化剂制备技术领域，包括以下步骤：以碳源、氮源、氧化石墨烯及碳布为反应原料，在液体媒介中，于180～220℃温度下反应10～15h，即获得碳布前驱体；将钴盐及获得的碳布前驱体均匀分散至有机溶剂中进行沉积反应，干燥后得到碳布样品，静止备用；将得到的碳布样品在氩气或氢气氩气氛围下，于400～500℃温度下反应1～6h，即得氮掺杂碳复合石墨烯包覆钴纳米阵列催化剂；本发明还公开了一种基于上述制备方法所得催化剂及其在电解水制氢中的应用。本发明的制备过程无需复杂的步骤，制备周期短，方法简单，所采用的原料价格低廉、安全，所需设备简单，适合大规模生产。