La technologie des membranes céramiques pour la production d’oxygène pur connaît un intérêt croissant pour remplacer le procédé de distillation cryogénique, très coûteux sur le plan énergétique. Cependant, à l’heure actuelle, les flux d’oxygène produits par la technologie membranaire ne sont pas suffisamment élevés pour être économiquement viable à l’échelle industrielle. Il est donc nécessaire d’améliorer les performances des membranes. Les résultats obtenus à travers ce travail de thèse, à l’aide d’un dispositif original, nous ont permis de mieux cerner les paramètres architecturaux permettant l’amélioration du flux de semi-perméation à l’oxygène en fonction des mécanismes limitant le transport de l’oxygène à travers la membrane. De ce fait, il est possible d’orienter les recherches vers des architectures plus complexes répondant au moins partiellement aux objectifs industriels. / The technology of ceramic membranes for oxygen separation knows a great interest due to high energetic efficiency in comparison with the cryogenic distillation process. However, for now, the oxygen fluxes produced by the membrane technology are not high enough for industrial applications. It is therefore necessary to improve the performances of the membranes. The results obtained in this work, using an original device, allowed us to a better understanding of the influence of architectural parameters on the oxygen flux and on the mechanisms limiting the transport of oxygen through the membrane. As a result, it is possible to investigate new architectures of membrane of which the oxygen flux could be close to industrial targets.

L’étude de matériaux conducteur mixtes (ionique et électronique) connait un intérêt croissant depuis plusieurs années dans le domaine de l’énergie, principalement lié au développement des électrodes pour les piles à combustible de type SOFC (Solid Oxide Fuel Cell) ou des réacteurs catalytiques membranaires (CMR) pour le réformage du méthane de synthèse ou pour le procédé d’oxycombustion. Dans ce dernier cas, la réalisation de membranes conductrices mixtes de structure pérovskite du type La1-xAxFe1-yByO3- permet la séparation de l’oxygène de l’air à haute température (900°C) avec une sélectivité quasiment infinie sans circuit électrique extérieur. Les mécanismes limitant le transport de l’oxygène à travers la membrane ont été étudiés à l’aide d’un dispositif de caractérisation original composé d’électrodes, permettant la mesure du potentiel électrochimique de l’oxygène à la surface de la membrane. L’influence de la substitution du cation en site A puis en site B sur les propriétés de semi-perméabilité à l’oxygène a été étudiée au sein des matériaux pérovskites La0,5A0,5Fe0,7B0,3O3-(A = Ca, Sr, Ba et B = Al, Co, Cu, Ga, Mg, Mn, Ni, Sn, Ti, Zn). Les résultats obtenus avec cette technique originale nous ont permis de mieux cerner les mécanismes limitant le transport d’oxygène à travers la membrane. L’influence de la microstructure de la membrane sur les propriétés de semi-perméabilité à l’oxygène a également été étudiée et un modèle d’évolution des propriétés de semi-perméabilité en fonction de la microstructure a été proposé. Cette compréhension des mécanismes de transport nous a permis d’orienter les recherches vers l’élaboration de nouvelles architectures de membranes. / Since few years, the study of mixed conducting materials (ionic and electronic) knows an increasing interest in the energy area, especially with the development of electrodes for Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) or Catalytic Membrane Reactors (CMR) for the methane reforming in synthesis gas or for oxyfuel process. In this latter case, the mixed conductor membrane with La1-xAxFe1-yByO3- perovskite structure allows the separation of oxygen from air at high temperature (900°C) with a quasi-infinite selectivity without outside electric circuit, with an interesting economical cost. The oxygen transport mechanisms through the membrane are studied thanks to an original electrodes system composed of a zirconia point micro-electrode and a metallic reference electrode. This system allows the measurement of the oxygen electrochemical potential at the membrane surface. The influence of cation substitution in A-site then B-site in La0.5A0.5Fe0.7B0.3O3-(A = Ca, Sr, Ba and B = Al, Co, Cu, Ga, Mg, Mn, Ni, Sn, Ti, Zn) perovskite materials has been studied. The results obtained by this original system led us to a better understanding and a identification of the rate determining step of oxygen transport mechanism through the membrane. The influence of the microstructure on oxygen semi-permeation has been studied and an evolution model of semi-permeation properties with microstructure has been shown. The understanding of oxygen transport mechanisms led to the development and the elaboration of news architectures of membranes.