本发明涉及光热催化剂材料技术领域，具体公开一种纳米复合光热催化剂及其制备方法和应用。所述纳米复合光热催化剂包括：二维碳化钴纳米片和负载在所述二维碳化钴纳米片上的二氧化钛纳米颗粒；其中，所述碳化钴和二氧化钛的质量比为1:0.5～4。本发明制备的复合光热催化剂在可见光区和近红外光区均具有强烈的吸收，可有效利用太阳能，得到较高的光热转化效率，且催化剂的稳定性优越，在多次循环使用后仍保持较高的光热催化活性，实现了在可见光条件下、有氧环境或无氧环境中对芥子气或其模拟物的高效降解，能够更加有效地控制和消除芥子气，是一种适用于不同场景芥子气毒剂处置的光热催化剂，实际应用价值极高。