本发明属于纤维素材料和包装膜技术领域，具体涉及一种羧基化纤维素纳米晶及其制备方法和应用，以及由该羧基化纤维素纳米晶制成的智能膜及其制备方法。本发明提供的羧基化纤维素纳米晶具有较大的比表面积和较高的羧基含量，其表面羧基能够通过化学力来吸附碱性气体，因此将其加入到含有酸碱指示剂的膜材料中制成包装膜后，羧基化纤维素纳米晶的加入使膜材料表面结构更粗糙，增加了氨气渗入智能膜的扩散路径，而且分子间氢键更强，使羧基化纤维素纳米晶在较低的加入量下即能够显著提高包装膜对氨气的响应灵敏度，同时水蒸气阻隔性能、力学性能和热稳定性也更强。