实施方案包括通过以下制造薄膜复合碳分子筛膜的方法：在气相渗透条件下，将聚合物层暴露于气相金属有机前驱体，使得气相金属有机前驱体扩散到聚合物层中，与聚合物的官能团反应，以形成无机‑有机复合物；在气相渗透条件下将聚合物层暴露于气相共反应剂，使气相共反应剂扩散到聚合物层中，氧化有机‑无机复合物以形成金属氧化物；将聚合物层进行惰性气氛或真空热解。实施方案还包括薄膜复合碳分子筛，以及利用碳分子筛膜片分离一种或多种化学物质的方法。