本发明公开了一种层状硫化钼纳米片分子分离膜的制备方法。利用正丁基锂作为插层分子，通过长时间搅拌进入硫化钼的晶格中；加入水使正丁基锂分解，扩大了硫化钼片层间的距离，通过超声处理将硫化钼分散成单原子层材料。透析除掉多余的杂质，得到提纯干净的硫化钼水溶液。将获得的硫化钼水溶液通过真空抽滤的方法获得层状硫化钼纳米片分子分离膜。膜的厚度通过使用的硫化钼水溶液的体积调节。本发明利用单原子层材料堆叠成膜的方法获得一种分子选择性分离膜，材料制备方法简单，成本低廉，所获得薄膜对不同分子具有尺寸选择性分离的性能。