本发明公开了一种三维碳纳米材料及其制备方法和应用，碳纳米材料的制备：（１）制备催化剂前驱体，所述催化剂前驱体为氧化铁纳米棒或镍铜草酸纳米纤维；（２）催化剂前驱体向支撑基体上的转移：支撑基体首先在空气中３００～５００℃热活化６～４８ｈ进行预处理；通过浸渍法将催化剂前驱体沉积在支撑基体上；（３）通过甲烷的热催化沉积以氧化铁纳米棒或镍铜草酸纳米纤维为躯体，制备支撑的石墨烯纳米片或支撑的碳纳米纤维。该复合材料对水中重金属离子与有机染料分子具有优异的吸附性能，并满足水净化材料的各项要求。