本发明涉及一种水分解催化剂及其制备方法和应用。所述水分解催化剂包括基底以及负载于所述基底上的钴硫化物,所述水分解催化剂的X射线衍射图谱中2θ在32°至33°范围内的峰的半峰宽为H1,2θ在54.5°至55.5°范围内的峰的半峰宽为H2,其中,1.1≤H2/H1≤2.0。本发明提供的水分解催化剂具有独特的纳米片组装而成的“纳米片阵列”形貌和随着结晶度的提高而表面粗糙度增大的特征结构。较低的结晶度和相对较小的粗糙度保障了电子传输和传质扩散,二维纳米片组装成的纳米阵列提供了丰富的反应活性位点,这些因素使得本发明的催化剂具有优良的电催化水分解性能。