本发明公开了一种碳材料负载纳米零价金属催化剂，包括纳米零价金属和碳材料，纳米零价金属在碳材料中均匀分散，纳米零价金属的负载量为5-15mg/g，所述纳米零价金属为铁、铜、锌或镍，所述碳材料为碳纳米管、石墨烯或纳米活性炭。本发明还公开了催化剂的制备方法和应用。本发明将纳米零价金属负载到碳材料上，可以阻止零价金属的团聚、提高催化剂的稳定性，可显著提高催化剂的比表面积。本发明催化剂高效、廉价、性能稳定，可以将含氯有机污染物快速高效吸附富集，同时纳米碳材料所具有的优异的电子传输能力能够大大加快污染物的催化降解速度，使得污染物去除更加快速高效，安全、经济。