本发明提供了一种碳基金属单原子复合材料及其制备方法与应用，属于生物质材料技术领域，以本发明以废弃物咖啡渣为原料，由于咖啡渣比表面积大、表面富含多种官能团，在浸泡可溶性金属盐后，可溶性金属盐通过共价作用与咖啡渣中的含氮和含硫非金属基团螯合；在厌氧热解过程中，咖啡渣的主体部分会热解为生物质碳成为碳基底，金属盐会生成以N和S配位的单原子形式负载于所述碳基底上；金属以单原子的形式负载在碳基底上，极大的增加了金属原子与周围配位原子(氮、硫)的配位不饱和度和原子利用率，从而提高了碳基金属单原子复合材料的催化活性和循环稳定性能。同时，本发明的制备方法简单、成本低、实现了资源化。