Nach dem Besuch einer Privatvorschule und des humanistischen Gymnasiums in Göttingen (Abitur 1905) studierte Merkel bis 1907 Physik und Chemie hier und in München. Im Anschluss an die chemischen Verbandsexamina absolvierte er den Militärdienst in Kassel und seit 1908 ein Studium der Physik in Berlin und Göttingen, wo er 1913 bei Hermann Theodor Simon (1870–1918) zum Dr. phil. promoviert wurde. 1921 trat Merkel bei den Farbenfabriken vorm. Friedr. Bayer & Co. ein und leitete seitdem das Physikalische Labor am Standort Elberfeld (Wuppertal). Sein Tätigkeitsbereich umfasste u. a. Arbeiten zur Löslichkeit von Farbstoffen in Gummi, polarimetrische Untersuchungen zur Bestimmung von Qualitäten der Cellulose, Färbeversuche von Kautschuk und physikalische Prüfungen verschiedener Pharmazeutika der Firma; letztere führte Merkel 1926 zeitweise am Physikalisch-Chemischen Institut der Universität Berlin durch.

1929 erhielt Merkel den Auftrag, die Ursachen der Entstehung von elektrischen Aufladungen bei der Fabrikation von Aspirin und Avertin zu ermitteln. Seine Ergebnisse führten zur Einrichtung von Schutzmaßnahmen zur Verhinderung von Funkenbildung in den betroffenen Betrieben. Seit etwa 1932 arbeitete Merkel mit Christian Wiegand (1901–1978) an Lichtschutzsalben und Strahlenschutzmitteln zur Anwendung auf der menschlichen Haut. Merkel untersuchte 1932 die physikalischen Eigenschaften der Lichtschutzsalben Antisol und Novantisol, die den kurzwelligen, ultravioletten Anteil der Sonnenstrahlung, der eine Erythembildung der Haut hervorruft, abschirmen sollte. Die Absorptionsgrenze dieser ersten Lichtschutzsalben wurde so gewählt, dass die Haut gebräunt, aber möglichst nicht gerötet wurde.

Auf diesen Resultaten aufbauend, führten Merkel und Wiegand seit 1933 weitere Versuchsreihen von Substanzen auf deren UV-Absorptionsfähigkeit durch. Merkel unterzog die von Wiegand ermittelten Substanzen biologischen Strahlungsversuchen und überprüfte deren physikalische Eigenschaften. Aus ihrer Zusammenarbeit entstanden 1933 ein erstes Lichtschutz-Öl sowie eine gemeinsame Patentanmeldung für Phenylbenzimidazolsulfonsäure. Mit dieser Substanz wurde erstmals ein wirksamer Filter gefunden, der Ultraviolettstrahlung mit einer Wellenlänge von 325 nm aus dem Sonnenlicht absorbierte und ausschließlich die bräunenden Lichtanteile auf die menschliche Haut dringen ließ. Phenylbenzimidazolsulfonsäure bildete die Basis für die 1933 in den Markt eingeführte Sonnenschutzcreme Delial.

Bis etwa 1935 beteiligte sich Merkel an Versuchsreihen über die Wirkung von Delial im Hochgebirge sowie an der Erforschung eines farblosen Absorbens für die Gletschersalbe Delial H. Darüber hinaus führte er seine Arbeiten über das Ultraviolett-Reflexionsvermögen der menschlichen Haut fort und suchte nach Imprägnierungen für ungefärbte Baumwolle mit harnstoffbasierten UV-Lichtschutzmitteln. In Kooperation mit der Coloristischen Abteilung der Firma Chemische Fabrik Kalle & Co. in Ludwigshafen, einer Tochtergesellschaft der I. G. Farbenindustrie AG, arbeitete Merkel zusätzlich an Imprägnier-Mitteln für Verpackungsmaterialien, wie Cellophan und Pergamentpapier. Systematisch prüfte er zahlreiche farblose Substanzen auf ihre UV-Durchlässigkeit, um Materialien zu finden, die das gesamte UV-Licht der Sonne filtern.

Am 8. Februar 1945 wurde Merkel nach Oberammergau dienstverpflichtet, und zum 7. August 1945 übernahm er wieder seine Funktion als Leiter des Physikalischen Labors am Standort Wuppertal-Elberfeld. Er wurde vom Oktober 1954 bis zu seiner Pensionierung im April 1955 beurlaubt. Anschließend arbeitete er – wie aus Patentschriften seit den 1950er Jahren hervorgeht – als Erfinder für die BASF AG. In Ludwigshafen am Rhein lebend, beschäftigte er sich hier v. a. mit Verfahren zur Herstellung von Magnetbändern.