本发明提供了一种膜电极及其制备方法和应用，所述膜电极包括：隔膜以及分别设于所述隔膜两侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层和/或阴极催化剂层区别于所述隔膜的一侧的面上覆盖有半导体层；所述阳极催化剂层和/或阴极催化剂层中催化剂彼此间的缝隙中填充有与所述半导体层相反导电类型的半导体颗粒，所述半导体颗粒与所述半导体层直接接触形成PN结，并能够与所述催化剂电催化导通。本发明膜电极中被粘结剂包覆的催化剂也能导电发生催化反应，还增大了膜电极电化学活性面积，提高了膜电极的催化效率和电堆电流密度，降低了欧姆电阻和电堆能耗。