本发明涉及一种陶瓷氧渗透膜复合结构及制备方法,其特征为双层复合结构:致密氧渗透膜层及致密纳米金属氧化物薄膜层。所述的致密氧渗透膜为钙钛矿型、类钙钛矿型或萤石型陶瓷膜中的任何一种。所述的致密纳米金属氧化物薄膜层的材料为氧化铝、氧化锆、氧化钛、氧化铈、钙钛矿型氧化物、类钙钛矿型氧化物及萤石型氧化物中的任何一种,其厚度为1-100nm。利用特定的沉积技术在氧渗透膜表面沉积致密纳米级的金属氧化物薄膜。本发明所提供的制备方法以及膜结构可以有效提成陶瓷氧渗透膜在水蒸气、CO2、H2S、SO2、CH4、H2、CO气体中的任何一种及其组合气氛中的稳定性。